JP5579335B1 - 電気機械変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】アーマチュアの設計の寸法や材質の選択範囲を広げ、小型高出力で、良好な耐衝撃性を有する電気機械変換器を提供する。
【解決手段】本発明の電気機械変換器は、少なくとも１対の磁石（１５〜１８）、その磁石による磁束を導くヨーク（１２、１３）、電気信号が供給されるコイル（１４）を一体的に配置した構造部と、この構造部の内部空間を貫く内側部とＸ方向に両側に突出した各外側部を有し、内側部の両側で磁束が導かれるギャップを介して構造部と磁気回路を構成し、その磁気力によりＺ方向に変位するアーマチュア（１９）と、アーマチュアを挟んでＺ方向に対向配置され、アーマチュアの変位に応じた復元力を各外側部に与える１対の弾性機構（２０、２１）を備えている。各々の弾性機構は、両側の係合部が各外側部に係合し、その間の固定部で構造部に固定され、各係合部と固定部との間のＸ方向の距離が構造部のＹ方向の長さの半分よりも長い。
【選択図】図３

Description

本発明は、電気信号を機械振動に変換する電気機械変換器に関し、特にアーマチュア、ヨーク、コイル、磁石等からなる駆動部を備えた電気機械変換器に関するものである。

補聴器等に用いられる電気音響変換器（電気機械変換器の一形態）は、アーマチュア、ヨーク、コイル、１対の磁石などからなる駆動部を備え、コイルに供給される電気信号に応じてアーマチュアを駆動し、アーマチュアと他の部材との間の相対振動を音響に変換するように構成される。例えば、所謂バランスド・アーマチュア型（以下、バランス型と呼ぶ）の電磁型変換器の例として、特許文献１には、Ｕ字型のアーマチュアを用いた磁気回路の構造例が開示され、特許文献２には、Ｅ字型のアーマチュアを用いた磁気回路の構造例が開示されている。特許文献３には、上記と同様のバランス型の磁気回路を具備する電気音響変換器における耐衝撃性を向上させる構造例が開示されている。上記いずれの構造例においても、アーマチュアがヨークに接続され、磁気回路を構成している。また、上記のいずれの場合も、アーマチュアの一端が変位したときのアーマチュア自身の弾性による復元力が、その変位によって生じる磁石の磁気力（吸引力）より大きくなるように構成する必要がある。特許文献１〜３に開示された構造を採用する場合には、アーマチュアには軟磁性材料を用いることが不可欠である。

米国特許第７８６９６１０号明細書 米国特許第４４７３７２２号明細書 特開２００６−０４１７６８号公報

しかしながら、上記従来のバランス型の電磁型変換器においては、アーマチュアが磁気回路の一部を構成するので、その磁気特性に対する設計上の要求を満たすことが求められる。また、アーマチュアが変位した際、その復元力が磁石の磁気力より大きくなるような設計が要求される点は前述した通りであるが、従来の構造においては、アーマチュア自身の弾性により復元力を得ているので、アーマチュアの設計に際しては磁気的な要求と機械的な要求を満足させなければならない。例えば、アーマチュアの耐衝撃性を向上させるために、アーマチュアの板厚を厚くすることが考えられるが、アーマチュアの板厚を厚くすると、その弾性範囲の変位量を十分に確保できなくなる。またアーマチュアには必要な磁気特性が求められるため、降伏応力が大きく、耐衝撃性に強い一般のバネ材料を使用することも困難である。通常、アーマチュアは、その材料の磁気特性を十分に引き出すために加工後に磁性アニール処理が施されるため、熱処理により降伏応力を大きくすることも困難である。以上のように、上記従来の構造によれば、アーマチュアの設計上の自由度が大きく制限されることは避けられない。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、アーマチュアの設計の制約を減らし、小型高出力化と耐衝撃性とを両立し得る電気機械変換器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、電気信号を機械振動に変換する電気機械変換器において、少なくとも１対の磁石（１５〜１８）と、前記磁石による磁束を導くヨーク（１２、１３）と、前記電気信号が供給されるコイル（１４）とを一体的に配置した構造部と、前記構造部の内部空間を貫く内側部（１９ａ）と、前記内側部から第１の方向（Ｘ）の両側に突出した第１の外側部（１９ｂ）及び第２の外側部（１９ｃ）とを有し、前記内側部のうち互いに逆向きの前記磁束が導かれる２つの領域を介して前記構造部と磁気回路を構成し、前記磁気回路の磁気力により前記第１の方向と直交する第２の方向（Ｚ）に変位するアーマチュア（１９）と、前記アーマチュアに対して前記第２の方向の一方の側に配置され、前記アーマチュアの前記構造部に対する相対的変位に応じた復元力を前記第１及び第２の外側部に付与する第１の弾性機構（２０）と、前記アーマチュアを挟んで前記第１の弾性機構と前記第２の方向に対称配置され、前記相対的変位に応じた復元力を前記第１及び第２の外側部に付与する第２の弾性機構（２１）とを備え、前記第１及び第２の弾性機構の各々は、前記第１の外側部に係合する第１の係合部（Ｓ３）及び前記第２の外側部に係合する第２の係合部（Ｓ３）が形成されるとともに、前記第１及び第２の係合部の間に位置する固定部（ＷＰ）で前記構造部に固定され、前記第１及び第２の係合部の各々と前記固定部との間の前記第１の方向の距離は、前記構造部における前記第１及び第２の方向にそれぞれ直交する第３の方向（Ｙ）の長さの半分よりも長いことを特徴としている。

本発明の電気機械変換器によれば、コイルに電流が流れないときに構造部の内部空間の所定位置にアーマチュアが位置決めされた状態から、コイルに電流を流したときに内側部に加わる磁気力によってアーマチュアが相対的に変位し、アーマチュアを挟んで第２の方向に対向配置される第１及び第２の弾性機構により、アーマチュアの変位に応じた復元力が作用する。よって、アーマチュア自身の弾性を利用することなく、アーマチュアの両端に設けた２つの弾性機構の復元力を利用する構造を採用したため、アーマチュアの板厚を薄くすることなく十分な変位量を確保することで、アーマチュアの設計上の自由度を高めることができる。また、第１及び第２の弾性機構は、それぞれ構造部に固定され、その両側で第１及び第２の外側部に係合するとともに、固定部と各係合部の間の第１の方向（Ｘ）の距離が、構造部の第３の方向（Ｙ）の長さの半分より長く設定される。この構造により、アーマチュアの長手方向に沿って固定部から係合部まで延伸されるバネ部材の長さを十分に確保することで、バネ部材の内部応力を低減し、耐衝撃性の向上が可能となる。

本発明において、第１及び第２の弾性機構は、多様な配置及び形状で構成することができる。例えば、各弾性機構の固定部を、構造部における第１の方向の中央近傍に配置し、各弾性機構が第１の方向の両側に対称的な形状を有する構造を採用することができる。また例えば、各弾性機構が固定部において構造部と溶接される構造を採用することができる。

本発明において、第１及び第２の弾性機構として、平坦部の両側に湾曲部が形成された板バネを用いることができる。この板バネは、平坦部に前述の固定部が設定され、両側の湾曲部にそれぞれ前述の第１及び第２の係合部が形成される。このような構造の板バネに対して寸法条件と材質を適切に選択することにより、所望の復元力を得ることができる

本発明において、アーマチュアの２つの領域において、それぞれギャップを介して対向する２対の磁石を用いることができる。当該磁石は、少なくとも１対あれば、前記磁気回路を構成できる。これにより、アーマチュアの両側のそれぞれの領域において、アーマチュアを通す互いに逆向きの２つの磁束を容易に形成することができる。

本発明において、前記固定部は、前記第１の方向に隣接する第１の固定部及び第２の固定部を含め構成し、前記第１及び第２の弾性機構の各々は、前記第１の固定部及び前記第１の係合部を有する第１のバネ部材と、前記第２の固定部及び前記第２の係合部を有する第２のバネ部材とを含めて構成することができる。この場合、第１の固定部と第１の係合部との間の第１の方向の距離と、第２の固定部と第２の係合部との間の第１の方向の距離は、いずれも構造部における第３の方向の長さの半分よりも長くする必要がある。このような構造を採用すると、少なくとも４個のバネ部材が必要になるが、各々のバネ部材を小型化し、加工が容易になる。

本発明によれば、アーマチュア自身の弾性を利用することなく、アーマチュアの両端と構造部との間に配置される２つの弾性機構を設け、アーマチュアの変位の復元力を与えるように構成したので、アーマチュアの設計の制約を減らすことができる。また、各弾性機構は、構造部に固定され、かつ、アーマチュアの両側の外側部にそれぞれ係合された状態で配置されるので、アーマチュアの長手方向に沿って固定部から係合部までの長さを十分に確保することができ、内部応力を低減して耐衝撃性のさらなる向上が可能となる。以上のように、本発明により、耐衝撃性を向上でき、小型高出力化に適した電気機械変換器を実現することが可能となる。

本実施形態の電気機械変換器の全体を収容するハウジングを取り外した状態の構造を示す斜視図である。 本実施形態の電気機械変換器をＺ方向の一方（図１の紙面上端側）から見たときの上面図である。 本実施形態の電気機械変換器の内部構造をＹ方向の一方（図２の紙面下端側）から見たときの正面図である。 本実施形態の電気機械変換器における磁気回路部の分解斜視図である。 バネ部材の全体構造を示す斜視図である。 バネ部材をＹ方向の一方から見たときの正面図である。 バネ部材とアーマチュアの外側部が係合している状態を示す斜視図である。 図２のＡ−Ａ断面における断面図のうちの磁気回路を構成する部分を模式的に表した図である。 本実施形態の電気機械変換器との対比のための比較例として、従来型のバランスド・アーマチュア型の電磁型変換器における磁気回路部の断面構造を模式的に示す図である。 図６のバネ部材を分離して２個のバネ部材を設けた変形例を示す図である。

本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明を適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。以下では、電気信号を機械振動に変換する電気機械変換器に対して本発明を適用した実施形態について説明する。

以下、図１〜図４を参照して、本実施形態の電気機械変換器の基本構造について説明する。図１〜図３では、互いに直交するＸ方向（本発明の第１の方向）、Ｙ方向（本発明の第３の方向）、Ｚ方向（本発明の第２の方向）をそれぞれ矢印にて示している。本実施形態の電気機械変換器は、上、下、左、右の方向性を持たないが、以下では説明の便宜のため、各図面内（紙面）の方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に応じて、上、下、左、右の方向を記載する場合がある。図１は、本実施形態の電気機械変換器の全体を収容するハウジング１０を取り外した状態の構造を示す斜視図である。図２は、本実施形態の電気機械変換器をＺ方向の一方（図１の紙面上端側）から見たときの上面図（一部欠け上面図）であり、図３は、本実施形態の電気機械変換器の内部構造をＹ方向の一方（図２の紙面下端側）から見たときの正面図（一部欠け正面図）である。また、図４は、本実施形態の電気機械変換器における後述の磁気回路部の分解斜視図である。

図１に示すように、本実施形態の電気機械変換器の全体を収容するハウジング１０は、上下対称に配置された下部のハウジング部材１０ａ及び上部のハウジング部材１０ｂを一体化した構造を有する。ハウジング１０には、電気機械変換器の後述の駆動部１１が収容されている。ハウジング１０は、駆動部１１を支持し得る強度の範囲内で、例えば、プラスチック材料又はステンレス等の金属材料を用いることができる。下部のハウジング部材１０ａの各辺の凹部と、上部のハウジング部材１０ｂの各辺の凸部は、互いに嵌合する形状に形成されている。なお、図２及び図３においては、いずれもハウジング１０を部分的に除去して内部を見た構造を示しているが、実際には、図１の構造を有するハウジング１０が電気機械変換器の全体を覆っている。

図１及び図２に示すように、ハウジング部材１０ａの一端には、後述のコイル１４から延出される１対のリード線（不図示）を通すための１対のスリットＳａが形成されている。そして、ハウジング部材１０ａの１対のスリットＳａの側の一端には、上述の１対のリード線に接続される１対の電気端子（不図示）が設けられる。また、ハウジング部材１０ａの内部には、内側に突出した８つのストッパーＳｂが形成されている。これらのストッパーＳｂは、駆動部１１のＹ方向の可動範囲を制限するために設けられ、これにより電気機械変換器が衝撃を受けた際にＹ方向に過度に動くことを抑制することができる。なお、ハウジング部材１０ａの内部にＸ方向の動きを抑制するストッパーＳｂを設けてもよい。ただし、ハウジング１０の形状に対し駆動部１１の可動範囲が小さい場合、ストッパーＳｂを設ける必要はない。

駆動部１１は、１対のヨーク１２、１３、コイル１４、４つの磁石１５、１６、１７、１８、アーマチュア１９、バネ部材２０（本発明の第１の弾性機構）及びバネ部材２１（本発明の第２の弾性機構）により構成される。駆動部１１のうち、ヨーク１２、１３、コイル１４、４つの磁石１５〜１８が一体的に配置された本発明の構造部として機能し、この構造部の内部空間を貫くアーマチュア１９がバネ部材２０、２１を介して構造部に対し可動となるように配置されている。

図２には、ＸＹ面内における駆動部１１のＸ方向の長さＬｘ及びＹ方向の長さＬｙをそれぞれ示している。Ｘ方向の長さＬｘはアーマチュア１９の長手方向の長さである。また、Ｙ方向の長さＬｙは、駆動部のＹ方向の長さであって、ヨーク１２、１３のＹ方向の長さ（幅）に一致する。本実施形態の電気機械変換器を小型にしようとすると、アーマチュア１９はＸ方向に長い略長方形の形状となる。図２に示すように、Ｌｘ＞Ｌｙの関係がある。なお、駆動部１１のＸ方向の長さＬｘは、バネ部材２０、２１の寸法を規定する際に重要であるが、詳しくは後述する。

下部のヨーク１２と上部のヨーク１３がＺ方向に対向配置された状態で、例えば溶接により一体的に固定される。図４に示すように、各々のヨーク１２、１３の中央部には、それぞれ内面を向く凹部１２ａ、１３ａが形成され、空芯のコイル１４が上下のヨーク１２、１３の各凹部１２ａ、１３ａに挟まれるように配置されている。このとき、コイル１４は、貫通孔の両端がＸ方向に開口した状態で、ヨーク１２、１３の中央に位置決めされ、ヨーク１２、１３の内面側と接着剤で固定されている。ヨーク１２、１３の材料としては、例えば、４５％Ｎｉのパーマロイ等の軟磁性材料を用いることができる。

ヨーク１２、１３の内側のＸ方向の両側には、磁石１５〜１８が対称的に配置されている。すなわち、１対の磁石１５、１６は、ヨーク１２、１３のＸ方向の一端の各対向面に接着固定され、所定の距離を置いて対向配置されている。同様に、１対の磁石１７、１８は、ヨーク１２、１３のＸ方向の他端の各対向面に接着固定され、所定の距離を置いて対向配置されている。

アーマチュア１９は、Ｘ方向に長尺の板状部材であり、１対の磁石１５、１６の間の空間と、コイル１４の貫通孔と、１対の磁石１７、１８の間の空間をそれぞれ貫くように配置されている。図４に示すように、アーマチュア１９は、ヨーク１２、１３に対向する空間（構造部の内部空間）に位置する内側部１９ａと、内側部１９ａの両側に突出した外側部１９ｂ、１９ｃからなる。アーマチュア１９の内側部１９ａは、Ｙ方向で磁石１５〜１８と同程度の幅の矩形部分として形成され、ヨーク１２、１３、磁石１５〜１８及びコイル１４とともに磁気回路を構成する。外側部１９ｂ、１９ｃは、Ｙ方向の幅が内側部１９ａと同様であるが、Ｘ方向の両辺の一部を対称に部分的に切り欠いた形状を有する。すなわち、一方の外側部１９ｂに形成された１対の切欠部Ｃと、他方の外側部１９ｃに形成された１対の切欠部Ｃが、いずれもＹ方向に対向配置されている。これらの切欠部Ｃの役割は、アーマチュア１９とバネ部材２０、２１とを係合することにあるが、具体的な構造については後述する。アーマチュア１９の材料としては、ヨーク１２、１３と同様、例えば、４５％Ｎｉのパーマロイ等の軟磁性材料を用いることができる。

図３に示すように、アーマチュア１９の上下（Ｚ方向の両面）には、磁石１５〜１８との間に平行な隙間が形成されており、それぞれの隙間がギャップＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４（図８参照）を構成する。４つの磁石１５〜１８は互いに同形状でＸ方向及びＺ方向に対称配置されることから、４つのギャップＧ１〜Ｇ４も互いに同形状である。ギャップＧ１〜Ｇ４は、アーマチュア１９が、その通常動作の範囲内でＺ方向に変位したとき、コイル１４及び磁石１５〜１８と接触しない程度の適当な隙間となっている。

また、アーマチュア１９の両側の外側部１９ｂ、１９ｃの各々は、その両端が下部のハウジング部材１０ａの凹部（図１）と上部のハウジング部材１０ｂの凸部（図１）に挟まれた状態で接着剤等により固定される。なお、ハウジング１０は、アーマチュア１９の両端を除いて、駆動部１１とは接触しない構造となっている。アーマチュア１９とハウジング１０との結合部分は、駆動部１１で発生した振動がハウジング１０に確実に伝達されるように十分な剛性を持たせる必要がある。また、アーマチュア１９の厚さが不足する場合には、アーマチュア１９の両面に、厚さを確保するための補強板を接合してもよい。

１対のバネ部材２０、２１はそれぞれ板状部材を折り曲げ加工して形成された板バネであり、一方のバネ部材２０がアーマチュア１９の下側に配置されるととともに、他方のバネ部材２１がアーマチュア１９の上側に配置されている。図３に示すように、１対のバネ部材２０、２１は、アーマチュア１９を挟んでＺ方向に対称な構造を有し、それぞれの両側の先端側がアーマチュアの外側部１９ｂ、１９ｃの前述の切欠部Ｃに係合し、それぞれの板バネ部分の中央付近がヨーク１２の下端及びヨーク１３の上端とレーザ溶接により固定されている。なお、図１の例では、バネ部材２１の中央近傍における２列の溶接部ＷＰ（本発明の固定部）を示しているが、１列あるいは３列以上の溶接部ＷＰとしてもよい。バネ部材２０、２１の役割は、アーマチュア１９が磁気回路内で構造部に対して相対的に変位したとき、その変位の大きさに比例する復元力をアーマチュア１９に与えることにある。以下、各々のバネ部材２０、２１の構造について、図５〜図７を用いて説明する。

図５は、バネ部材２１の全体構造を示す斜視図であり、図６は、バネ部材２１をＹ方向の一方から見たときの正面図であり、図７は、バネ部材２１とアーマチュア１９の外側部１９ｃが係合している状態を示す斜視図である。なお、図５〜図７では、代表して一方のバネ部材２１の構造を示しているが、他方のバネ部材２０についても同様の構造を有している。図５に示すように、バネ部材２１は、Ｘ方向に長尺の平坦部Ｓ１と、平坦部Ｓ１の両側の２つの湾曲部Ｓ２と、それぞれの湾曲部Ｓ２の先端側に形成された２対（４つ）の先端部Ｓ３（本発明の第１及び第２の係合部）とからなる板バネである。

バネ部材２１は、Ｘ方向の全長Ｌ（図６）、Ｙ方向の幅Ｗ（図５）、Ｚ方向の高さＨ（図６）の寸法で形成される。また、バネ部材２１の各１対の先端部Ｓ３がＹ方向に間隔Ｗ１（Ｗ１＜Ｗ）で対向している。既に説明した図１〜３の構造から理解できるように、バネ部材２１の長さＬは、Ｘ方向において、ヨーク１２、１３の長さより長く、かつ、アーマチュア１９の長さ（Ｌｘ）より短い。また、バネ部材２１の幅Ｗは、ヨーク１２、１３のＹ方向の幅（Ｌｙ）より若干小さく、バネ部材２１の高さＨは、ヨーク１３のＺ方向の高さより大きい。バネ部材２１の寸法の具体例としては、例えば、Ｌ＝１０．６ｍｍ、Ｗ＝５ｍｍ、Ｈ＝２．２ｍｍ、Ｗ１＝２．９ｍｍに設定することができる。また、バネ部材２１の板厚は、例えば、０．１ｍｍ程度に設定することができる。

バネ部材２１の各先端部Ｓ３は、湾曲部Ｓ２の一端からＸ方向の内側に突出するとともに、Ｚ方向の下方に若干（アーマチュア１９の板厚の半分より小さい範囲）突出している。そして、図７の斜視図に示すように、バネ部材２１の一方の湾曲部Ｓ２の表面が部分的にアーマチュア１９の外側部１９ｃの表面に当接した状態で、１対の先端部Ｓ３が外側部１９ｃの１対の切欠部Ｃに係合している。このとき、１対の先端部Ｓ３の間隔Ｗ１（図５）が外側部１９ｃの１対の切欠部Ｃの位置におけるＹ方向の幅よりも僅かに広い幅でＹ方向に対向している。また、１対の先端部Ｓ３は外側部１９ｃの表面より若干下方に曲がっている。このような構造で１対の先端部Ｓ３が１対の切欠部Ｃに係合しているため、１対の先端部Ｓ３の外側部１９ｃに対するＸ及びＹ方向への相対的な動きを規制することができる。

また、図６には、バネ部材２１において、それぞれの先端部Ｓ３から溶接部ＷＰまでのＸ方向の距離Ｄが示されている。この距離Ｄは、具体的には、先端部Ｓ３の形状のうちアーマチュア１９の表面との接点から、２列ある溶接部ＷＰのうち先端部Ｓ３に近い側までのＸ方向の距離として定義される。図６の例では、バネ部材２１がＸ方向に対称的な形状を有するので、バネ部材２１の両側で等しい距離Ｄが対称配置されている。

ここで、厚さｔ、幅ｗ、長さｌの片持ち梁の板バネを考える。この梁の先端のスティフネスｋは、次の（１）式で与えられる。

ただし、Ｅ：ヤング率

また、先端の変位がｘのときの片持ち梁の根元における最大応力σ_maxは、次の（２）式で与えられる。

設計上、この板バネのスティフネスｋと変位ｘの最大変位ｘ_maxがそれぞれ決まっていると仮定する。このとき、最大応力σ_maxは、次の（３）式で与えられる。

スティフネスｋが一定値となるように、片持ち梁の３つのパラメータとして厚さｔ、幅ｗ、長さｌの中の２つだけを変化させたときに最大応力σ_maxがどのように変化するかを調べると、下記の表１のように表すことができる。

表１において、３つの場合Ａ、Ｂ、Ｃのいずれであっても、長さｌと幅ｗは大きい方が最大応力σ_maxは小さくなる。

上記片持ち梁の板バネの一般論から推論されるように、設計上、バネのスティフネスとバネの最大変位がそれぞれ決まっている場合には、バネの長さと幅を大きくできるような位置にバネを置くことにより、バネに働く最大応力を小さくすることができる。本実施形態の構造を採用することにより、バネ（バネ部材２０、２１）を配置するための大きな領域を取ることなく、全体の電気機械変換器を構成することができるとともに、バネに働く最大応力を小さくすることができるので耐衝撃性の向上も可能となる。

本実施形態のバネ部材２０、２１の設計に際し、図６の距離Ｄが、駆動部１１のＹ方向の長さＬｙ（図２）に対し、次の（４）式の関係を満たす場合には、本実施形態のようにバネ部材２０、２１を配置することにより、バネ部材２０、２１に働く最大応力を小さくすることができ、耐衝撃性の向上に有効となる。

バネ部材２０、２１の図６の距離Ｄに着目すると、図６からわかるように、溶接部ＷＰの配置の制約や湾曲部Ｓ２及び先端部Ｓ３の構造上の制約から、距離Ｄの上限は、Ｄ＜Ｌｘ／２となることは明らかである。ただし、溶接部ＷＰを１列とし、バネ部材２０、２１のＸ方向の中点に配置すれば、距離Ｄを長くすることができる。一方、（４）式を満たさない距離Ｄの場合は、内部応力が大きくなる。つまり、本実施形態のバネ部材２０、２１は固定端から自由端への延伸方向をＸ方向に沿わすことで、距離Ｄを長くできるという有利な構造上の特徴を有している。仮に、固定端から自由端への延伸方向がＹ方向に沿ったバネ部材を設けたときは、距離Ｄとして確保可能な値がＬｙ／２程度に制約されることを考えると、（４）式を満たす限り、本実施形態のバネ部材２０、２１の構造を採用するメリットを享受することができる。

図５〜図７のバネ部材２１において、寸法パラメータについては、上述した通りであるが、他の構造についても多様な設計が可能である。例えば、バネ部材２０、２１の平坦部Ｓ１及び両側の湾曲部Ｓ２のそれぞれの構造については、板バネによる復元力が得られる限り、多様な形状を採用することができる。ただし、湾曲部Ｓ２を円弧状など滑らかな断面形状にすることは、応力の集中を回避する点でメリットがある。本実施形態のバネ部材２０、２１の設計に際しては、アーマチュア１９に付与すべき復元力に応じたバネ定数を得られるように、板バネの形状、材質、板厚、あるいは湾曲部Ｓ２の曲率などを定める必要がある。また、バネ部材２０、２１の先端部Ｓ３の構造についても、バネ部材２０、２１をアーマチュア１９の外側部１９ｂ、１９ｃに係合し得る限り、多様な形状を採用することができる。バネ部材２０、２１の材質としては、例えば、非磁性のバネ用ＳＵＳ材などを用いることができる。

ここで、図示を省略しているが、バネ部材２０、２１はＺ方向に僅かに押された状態で駆動部１１に組み込まれる。すなわち、図３において、アーマチュア１９が釣り合いの位置（Ｚ方向の中央）にある場合、アーマチュア１９が上下から常時バネ部材２０、２１に押される状態とすることで、その押圧力によってアーマチュア１９を釣り合いの位置に保持することができる。また、アーマチュア１９が、バネ部材２０、２１のそれぞれに対して、Ｚ方向に反対側に変位しても、バネ部材２０、２１が押されている状態の範囲内であれば、係合が外れない。

また、本実施形態では、バネ部材２０、２１が溶接部ＷＰでヨーク１２、１３に固定される構造を示したが、溶接部ＷＰの位置を固定部としてバネ部材２０、２１をヨーク１２、１３に固定可能であれば、固定方法は問わない。また、本実施形態では、バネ部材２０、２１の各１対の先端部Ｓ３がアーマチュア１９の外側部１９ｂ、１９ｃの各１対の切欠部Ｃに係合される構造を示したが、バネ部材２０、２１に設けた係合部を外側部１９ｂ、１９ｃに係合可能であれば、係合方法は問わない。

次に、本実施形態の電気機械変換器の基本的な動作について説明する。図８は、図２のＡ−Ａ断面における断面図のうちの磁気回路を構成するヨーク１２、１３、コイル１４、磁石１５〜１８、アーマチュア１９の部分を模式的に表した図である。説明の簡略化のため、磁気回路を構成しない他の部材についても図示を省略する。図８に示すように、コイル１４を挟んでＺ方向に対向配置された１対の磁石１５、１６及び１対の磁石１７、１８は、互いに逆方向に着磁されている。例えば、図８の右側の磁石１５、１６は下方向に磁化され、図８の左側の磁石１７、１８は上方向に磁化される。このように磁化された磁石１５〜１８により、ヨーク１２、１３及びアーマチュア１９には、実線矢印にて示す磁束Ｂ１が発生する。

そして、磁束Ｂ１のうちギャップＧ１〜Ｇ４を通る磁束による磁気力がアーマチュア１９に作用する。具体的には、アーマチュア１９に対し、下側のギャップＧ１、Ｇ３の磁気力が強くなると下向きの力が作用し、上側のギャップＧ２、Ｇ４の磁気力が強くなると上向きの力が作用する。これら上下の力が釣り合っていない場合には、アーマチュア１９は力の大きい方に変位する。よって、コイル１４に電流が流れていない状態で上記上下の力が釣り合うようにアーマチュア１９が位置決めされる。このとき、ギャップＧ１を通る磁束とギャップＧ２を通る磁束がほぼ等しく、かつ、ギャップＧ３を通る磁束とギャップＧ４を通る磁束もほぼ等しい状態にあるので、アーマチュア１９が変位しない。そのため、アーマチュア１９のうちコイル１４に囲まれた部分には見かけ上磁束が流れない状態にある。

この状態でコイル１４に電流を流す場合、アーマチュア１９のうちコイル１４に囲まれた部分には、電流の方向に応じた向きの磁束が発生する。例えば、図８は、コイル電流により、アーマチュア１９に点線矢印で示す磁束Ｂ２が発生する状態を示している。このとき、図８における各磁束Ｂ１、Ｂ２の方向性を考慮すると、磁束Ｂ２の発生により、下側のギャップＧ１、Ｇ３の磁束はそれぞれ増加し、上側のギャップＧ２、Ｇ４の磁束はそれぞれ減少する。その結果、アーマチュア１９は下向きの磁気力を受けて下向き（Ｇ１、Ｇ３側）に変位する。

アーマチュア１９が下向きに変位したとき、バネ部材２０（図３）により、変位を元の位置に戻そうとする復元力が作用する。アーマチュア１９が変位したときバネ部材２０の復元力が、アーマチュア１９に働く磁気力に比べて大きい場合は、アーマチュア１９が磁石１５、１７に吸着することは避けられる。以上の動作は、所謂バランスド・アーマチュア型の電磁型変換器の動作原理と同様である。なお、コイル電流が上記と逆向きである場合は、アーマチュア１９が上向きの磁気力を受けて上向きに変位し、バネ部材２１により復元力が作用する状態を想定すればよい。

ここで、アーマチュア１９以外のヨーク１２、１３、コイル１４、磁石１５〜１８からなる部分（本発明の構造部）とアーマチュア１９との相対振動を考える。上述したように、コイル１４への電気信号の印加時に流れる電流に応じた駆動力が発生し、この駆動力が上述の相対振動を生じさせる。アーマチュア１９の両端とハウジング１０とが十分な剛性をもって固定されるので、アーマチュア１９と構造部との間に発生した駆動力は、アーマチュア１９を通してハウジング１０に伝達され、ハウジング１０に振動を生じさせる。以上のように、本実施形態の電気機械変換器は、外部から印加される電気信号に対応する機械振動を発生するように構成される。

図９は、本実施形態の電気機械変換器との対比のための比較例として、従来型のバランスド・アーマチュア型の電磁型変換器における磁気回路部の断面構造を模式的に示している。本比較例の磁気回路部は、ヨーク３０と、コイル３１と、アーマチュア３２と、１対の磁石３３、３４とを備えている。また、１対の磁石３３、３４とアーマチュア３２との隙間がギャップＧａ、Ｇｂを構成する。本比較例の構造においては、図９に示すように、Ｕ字状に折り曲げられたアーマチュア３２は、変位したときの復元力がアーマチュア３２自身の弾性により与えられ、本実施形態のバネ部材２０、２１に相当する部材は設けられていない。

また、磁石３３、３４及びギャップＧａ、Ｇｂはアーマチュア３２のＸ方向の片側だけに設けられ、この部分でアーマチュア３２がヨーク３０と磁気的に結合する構造となっている。１対の磁石３３、３４は、矢印方向に磁化されている。これにより、ヨーク３０及びアーマチュア３２には、実線矢印にて示す磁束Ｂ３が発生する。なお、磁束Ｂ３は、図８の磁束Ｂ１がＸＺ面内でループ状に流れるのとは異なり、ＹＺ面内でループ状に流れる。磁束Ｂ３のうち、ギャップＧａ、Ｇｂを通るそれぞれの磁束による２つの磁気力がアーマチュア３２に作用する。コイル３１に電流が流れていない状態では、上記２つの磁気力が釣り合うようにアーマチュア３２が位置決めされる。このとき、上下のギャップＧａ、Ｇｂを通る磁束が等しくなり、アーマチュア３２のうちコイル３１に囲まれた部分には磁束が流れない。

上記の状態でコイル３１に電流を流す場合、アーマチュア３２のうちコイル３１に囲まれた部分に磁束が発生する。図９の例では、コイル電流により、アーマチュア３２に点線矢印で示す磁束Ｂ４が発生する状態を示している。磁束Ｂ４の発生により、ギャップＧｂの磁束は増加し、ギャップＧａの磁束は減少する。その結果、アーマチュア３２は上向きの力を受けて上向きに変位する。この状態でコイル電流をゼロにすれば、Ｕ字状のアーマチュア３２自身の弾性による復元力により、アーマチュア３２が元の位置に戻る。この場合、コイル３１への電気信号の印加時に流れる電流に応じた駆動力が発生し、その駆動力がアーマチュア３２を振動させる。

ここで、図９の構造を有する電磁型変換器において、アーマチュア３２が釣り合いの位置から変位した状態を考える。例えば、アーマチュア３２を上側のギャップＧｂの方向に変位させた場合、アーマチュア３２自身の弾性による復元力も変位に比例するが、その向きは変位を戻そうとする向きに働く。このような弾性力の変位に対する比は正のスティフネスと呼ばれる。これに対して、ギャップＧｂが小さくなるためギャップＧｂにおける磁束が増加し、かつ、ギャップＧａにおける磁束が減少する。その結果、アーマチュア３２には上向きの磁気力が作用する。このときの磁気力の大きさは、アーマチュア３２の釣り合いの位置からの変位にほぼ比例し、磁気力の向きは変位した方向に一致する。

一方、上記磁気力は上記復元力と逆向きの力であるため、上記磁気力の変位に対する比は、通常、負のスティフネスと呼ばれる。

アーマチュア３２がギャップＧａ、Ｇｂ内で変位したときに必ず元の位置に戻るための条件として、アーマチュア３２自身の持つ正のスティフネスを負のスティフネスの絶対値よりも大きくする必要がある。しかし、図９の構造を有する電磁型変換器においては、所定の大きさの範囲内で駆動力を高めるためには、負のスティフネスの絶対値がより大きい方が望ましいので、アーマチュア３２自身の持つ正のスティフネスも必然的に大きくする必要がある。そのため、アーマチュア３２による大きな復元力を得るためにアーマチュア３２の板厚を厚くする必要がある。アーマチュア３２の板厚は厚くするほど弾性範囲内の変位が小さくなっていく。

図９の構造を有する電磁型変換器を小型に構成し、かつ大振幅で駆動させるには、アーマチュア３２の板厚を薄くする必要がある。しかし、アーマチュア３２の正のスティフネスは板厚の３乗に比例することが知られており、それに応じて負のスティフネスも小さくする必要がある。その結果、最大変位量を大きくできたとしても、振動の駆動力が小さくなる。さらに、板厚が薄くなることで降伏応力が小さくなるため衝撃に対しても弱くなることは避けられない。すなわち、上記構造を有する電磁型変換器では、振動の最大駆動力と最大変位量がトレードオフの関係を有することになる。以上のように、本比較例の構造によれば、アーマチュア３２自身の弾性による復元力を利用しているため、アーマチュア３２を設計する際、その板厚に大きい制約を受ける。

これに対し、本実施形態の電気機械変換器の構造は、図９に示す比較例とは異なり、アーマチュア１９の設計時に上述の制約を受けない。具体的には、本実施形態でのアーマチュア１９の変位量や復元力は、アーマチュア１９のスティフネスには依存せず、別部品であるバネ部材２０、２１のスティフネスに依存して定まるので、変位量や復元力とは無関係にアーマチュア１９の板厚を決めることができる。本実施形態の電気機械変換器が図８のＺ方向の大きな衝撃を受けた場合、バネ部材２０、２１はギャップＧ１〜Ｇ４程度の変形を受けるが、バネ部材２０、２１の弾性範囲内の変形がこの程度の変形より十分大きくなるように設計しておくことによりＺ方向の耐衝撃性向上が可能である。これに対して従来構造の場合、Ｚ方向の大きな衝撃を受けると、アーマチュア３２自体に大きな応力がかかるため、Ｚ方向の十分な耐衝撃性を得ることが難しい。従って、本発明を適用した電気機械変換器によれば、磁性材料からなるアーマチュア１９自身の弾性を利用することなく、別部品であるバネ部材２０、２１を用いてアーマチュア１９の復元力を与えることにより、図９の構造の上述の問題点を解消し、駆動力と変位量の両方を大きくでき、小型高出力化に適した電気機械変換器を実現することができる。

また、本実施形態の電気機械変換器においては、既に述べたように、アーマチュア１９とヨーク１２、１３との間に対称的に配置されるバネ部材２０、２１が、両側に外側部１９ｂ、１９ｃに係合されるとともに、その間の位置でヨーク１２、１３に固定される構造を採用した。これにより、（１）〜（３）式を用いて説明したように、各バネ部材２０、２１の片持ちバネの部分の長さを十分に長くでき、内部応力を軽減して耐衝撃性の向上を実現することができる。

以上のように、本実施形態に基づいて、本発明に係る電気機械変換器について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことができる。例えば、本実施形態においては、本発明に係る電気機械変換器を構成する第１及び第２の弾性機構として１対のバネ部材２０、２１を用いる場合を説明したが、第１及び第２の弾性機構として２対（４個）以上のバネ部材を用いる構造を採用してもよい。例えば、図１０は、図６のバネ部材２１を分離して２個のバネ部材２１ａ、２１ｂを設けた変形例を示している。図１０の変形例においては、図６のバネ部材２１の右側に相当するバネ部材２１ａと、図６のバネ部材２１の左側に相当するバネ部材２１ｂとがＸ方向に対向配置されている。これら１対のバネ部材２１ａ、２１ｂの各々は、平坦部Ｓ１、湾曲部Ｓ２、先端部Ｓ３からなり、平坦部Ｓ１以外の構造は図６のバネ部材２１と同様である。

また、図１０には、それぞれのバネ部材２１ａ、２１ｂにおいて、それぞれのＸ方向の全長Ｌ１及び高さＨと、それぞれの先端部Ｓ３から溶接部ＷＰまでのＸ方向の距離Ｄ１が示されている。図１０の全長Ｌ１は、アーマチュア１９が同一である場合、図６のバネ部材２１の全長Ｌよりも短くなる。一方、図１０の距離Ｄ１は、図６のバネ部材２１の距離Ｄと同程度か、あるいは短くてもよいが、性能確保の観点から、（４）式のＤをＤ１で置き換えたときに（４）式の関係を満たすように設計することが重要である。また、図１０の例では、１対のバネ部材２１ａ、２１ｂが互いに同一の形状及び寸法で形成されているが、（４）式の関係を満たす限り、互いに異なる形状及び寸法で形成してもよい。

また、本発明に係る電気機械変換器は、電気信号を音響に変換して外部に出力する電気音響変換器に対して適用することも可能である。さらに、本発明に係る電気機械変換器は、例えば、使用者の耳甲介腔に装用する補聴器に適用することができる。これにより、電気機械変換器の振動自体とそのハウジングの振動によって発生した音の両方を伝達手段として機能させ、使用者の耳に音を伝達することができる。このような電気機械変換器を、例えば、耳甲介腔に装用する補聴器に適用する場合、ハウジング１０の外形形状を耳甲介腔装用に適した形状とすることが望ましい。

１０、４０…ハウジング
１１…駆動部
１２、１３…ヨーク
１４…コイル
１５、１６、１７、１８…磁石
１９…アーマチュア
２０、２１…バネ部材
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４…ギャップ

Claims (6)

1. 電気信号を機械振動に変換する電気機械変換器において、
   少なくとも１対の磁石と、前記磁石による磁束を導くヨークと、前記電気信号が供給されるコイルとを一体的に配置した構造部と、
   前記構造部の内部空間を貫く内側部と、前記内側部から第１の方向の両側に突出した第１の外側部及び第２の外側部とを有し、前記内側部のうち互いに逆向きの前記磁束が導かれる２つの領域を介して前記構造部と磁気回路を構成し、前記磁気回路の磁気力により前記第１の方向と直交する第２の方向に変位するアーマチュアと、
   前記アーマチュアに対して前記第２の方向の一方の側に配置され、前記アーマチュアの前記構造部に対する相対的変位に応じた復元力を前記第１及び第２の外側部に付与する第１の弾性機構と、
   前記アーマチュアを挟んで前記第１の弾性機構と前記第２の方向に対称配置され、前記相対的変位に応じた復元力を前記第１及び第２の外側部に付与する第２の弾性機構と、
   を備え、
   前記第１及び第２の弾性機構の各々は、前記第１の外側部に係合する第１の係合部及び前記第２の外側部に係合する第２の係合部が形成されるとともに、前記第１及び第２の係合部の間に位置する固定部で前記構造部に固定され、
   前記第１及び第２の係合部の各々と前記固定部との間の前記第１の方向の距離は、前記構造部における前記第１及び第２の方向にそれぞれ直交する第３の方向の長さの半分よりも長いことを特徴とする電気機械変換器。
2. 前記固定部は、前記構造部における前記第１の方向の中央近傍に配置され、前記第１及び第２の弾性機構の各々は、前記第１の方向の両側に対称的な形状を有することを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換器。
3. 前記第１及び第２の弾性機構の各々は、前記固定部において前記構造部と溶接されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気機械変換器。
4. 前記第１及び第２の弾性機構の各々は、平坦部の両側に湾曲部が形成された板バネであり、前記平坦部に前記固定部が設定され、前記両側の湾曲部にはそれぞれ前記第１及び第２の係合部が形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電気機械変換器。
5. 前記少なくとも１対の磁石は、前記アーマチュアの前記２つの領域において、それぞれギャップを介して対向する２対の磁石であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電気機械変換器。
6. 前記固定部は、前記第１の方向に隣接する第１の固定部及び第２の固定部を含み、
   前記第１及び第２の弾性機構の各々は、前記第１の固定部及び前記第１の係合部を有する第１のバネ部材と、前記第２の固定部及び前記第２の係合部を有する第２のバネ部材とを含み、
   前記第１の固定部と前記第１の係合部との間の前記第１の方向の距離と、前記第２の固定部と前記第２の係合部との間の前記第１の方向の距離とは、いずれも前記構造部における前記第３の方向の長さの半分よりも長いことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電気機械変換器。

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